染料敏化太阳能电池

染料敏化太阳能电池

齿轮螺旋角-化学元素周期表高清图

2023年3月20日发(作者：周记100字初中)

染料敏化太阳电池光电能量转换效率的测定

一、实验目的

1.了解染料敏化太阳电池的基本工作原理，学习CHI630电化学工作

站的基本功能和调谐方法（或恒电位仪测量光电流的方法）；

2.了解染料敏化太阳电池的基本结构，测定方法;

3.掌握利用I—V曲线计算染料敏化太阳电池的能量转换效率

二、实验原理

太阳能的利用是一个永恒的课题。染料敏化纳米晶光电化学电

池以其低成本和高效率而成为硅太阳能电池的有力竞争者.

染料敏化太阳电池是由透明导电玻璃、TiO2多孔纳米膜、电解质

溶液以及镀铂镜对电极构成的“三明治”式结构.

图1染料敏化太阳电池的结构示意图

与p-n结固态太阳能电池不同的是，在染料敏化太阳电池中光

的吸收和光生电荷的分离是分开的。图2是染料敏化太阳电池的能

级分布和工作原理图。

图2染料敏化纳米晶太阳能电池的工作原理Ecb半导体的导带边;Evb半导体的价带边;D’,D’’

分别是染料的基态和激发态；I，I

3

是氧化还原电解质。对电极表面镀一层金属铂

上图表示在光照射太阳电池后,电池内的电子直接转移过程.(1)染

料分子的激发。(2)染料分子中激发态的电子注入到TiO2的导带，CB和

VB分别表示TiO2的导带底和价带顶。从图中可以看出染料分子的能带最

好与TiO2的能带重叠，这有利于电的注入。(3）染料分子通过接受来自

电子供体-

3

I的电子，得以再生.(4）注入到TiO2导带中的电子与氧化态染

料之间的复合,此过程会减少流入到外电路中电子的数量,降低电池的光

电流。(5)注入到TiO2导带中的电子通过TiO2网格,传输TiO2膜与导电玻

璃的接触面后流入到外电路,产生光电流。（6)在TiO2中传输的电子与-

3

I间

的复合反应.(7）-

3

I离子扩散到对电极被还原再生，完成外电路中电流循

环。

太阳能电池的性能测试系统主要分为五部分，分别为光源，透镜，

电池器件,电化学工作站（恒电位仪),计算机，通过对太阳能电池光照下

的电流/电压曲线的分析，来测试染料敏化TiO2纳米晶光电化学电池的光

电压,光电流，光电转换效率等性能.

衡量光电化学太阳能电池的性能主要有五个评价参数：短路光电流

(ISC)、开路光电压(VOC）、填充因子(FF）、入射光子到电子的转换效率（IPCE)

和能量转换效率（η）。(1）短路光电流（ISC）:太阳能电池在短路条件

下的工作电流.此时，电池输出的电压为零。(2）开路光电压(VOC)：太阳

能电池在开路条件下的输出电压。此时，电池的输出电流为零。（3）填

充因子（FF）：填充因子定义为：FF=Pmax/ISCVOC。

(4）能量转换效率(η）:定义为太阳能电池的最大功率输出与入射太阳

光的能量（Plight）之比。

P

V

IFFPPlight

oc

sclight



max



三、仪器装置和样品

1.染料敏化的纳米晶太阳电池（未注入电解液）

2.微量进样器

3.标准电解液：0.1mol/LLiI,0。05mol/LI

2，0。5

mol/L4－

叔丁基吡啶(溶剂为体积比为1：1的PC和乙氰的混合物)

4.恒电位仪，三电极体系（工作电极，参比电极,对电极）

5.辐照计（FZ—A型)

6.氙灯光源（功率500W）

7.光学导轨及透镜

四、实验步骤

1.调节光路：打开氙灯光源，将辐照计固定在导轨上。调节辐照计

的相对距离，使辐照强度达到100mW/cm2并固定位置。

2.打开恒电位仪和计算机电源，屏幕显示清晰后，再打开恒电位仪

测量窗口。

3.使用微量进样器抽取一定量的标准电解液,并将标准电解液沿缝

隙边缘灌注至染料敏化纳米晶太阳电池中。将工作电极夹在电池

的照光一端,参比电极和对电极夹在另一端。固定在步骤1中所述

位置.

4.使用恒电位仪测量太阳电池的I-V曲线。

5.重复测量辐射照度为75mW/cm2和50mW/cm2下太阳电池的I—V曲

线。

五、结果处理

1.根据实验数据作出染料敏化太阳电池的I－V曲线图1。

0.00.20.4

0.00

0.25

0.50

0.75

c

u

r

r

e

n

t

(

m

A/

c

m2

)

potential(v)

50mw/cm2

75mw/cm2

100mw/cm2

图1染料敏化太阳电池的I—V曲线

2.利用I－V曲线作图得到染料敏化太阳电池的功率输出曲线图2。

0.00.10.20.30.4

0.00

0.05

0.10

p

o

w

e

r

(

m

w/

c

m2

)

potential(v)

50mw/cm2

75mw/cm2

100mw/cm2

图2染料敏化太阳电池的P—V曲线

3.根据图1和图2得出：

P

light

（mW/cm2）I

SC

(mA）V

OC

（V）P

max

(mW/cm2）

FF（%)η（%）

500.41350．29620.0405133.10.081

750。46010.30050.0441331。90.059

1000。68450。36680.0800331.90。080

注：

in

OCSC

in

P

FFVI

P

P

max

FF=Pmax/（Isc＊Voc）

六、思考题

1.讨论影响太阳电池的光电能量转化效率的因素。

答：影响太阳电池的光电能量转化效率的因素主要有：

（1）电池板材料的厚度和外形：我们知道,太阳能电池愈薄，电子的移动

路径愈短,则其光电转化效率愈高。电池板的外形也会影响其光电转化效

率，这是由于光照射到电池板上，在正反两面发生的反射、折射等现象，

从而降低了电池的短路电流.适当的电池外型的改变(如表面粗化处理、电

极形状)可以增加阳光入射量、太阳光版的角度调整等,从而提高其光电转

化效率；

（2）辐射强度：辐射强度不仅影响电流收集（短路电流）而且影响正向

偏压注入电流（开路电压）,因此会影响太阳能电池的光电转化效率；

（3）电阻的大小:根据电路知识，太阳能电池等效为一个理想电流源、一

个正向二极管、一个串联电阻和一个并联电阻。所以，在负载一定的情况

下,串联电阻越大，并联电阻越小，那么电流在输出的过程中的损耗就越

大,即流经负载上的电流就越小.最终其光电转化效率越低，反之将越高。

2.不同辐照强度对能量转化效率有何影响？

答:由本次实验结果可知：辐射强度越高，能量转化效率越高。反之，能

量转化效率越低。

3.根据染料敏化太阳电池的结构和原理，讨论如何构筑高效率的染料敏

化太阳电池器件.

答：1。为了尽量减少光学损失，我们主要有以下措施：

⑴电池表面的上接触面积尽可能的小（尽管这可能会提高串联

电阻）

⑵光照面使用减反射膜

⑶利用表面刻蚀减少反射

⑷增加电池厚度提高光吸收（尽管由于载流子复合吸收的光不

一定贡献电流）

⑸表面刻蚀与陷光结构增加光在电池中的光路

2.减少电子-空穴对的复合

采用具有合适性能的半导体材料（尤其是光生载流产寿命

长的材料)可以将载流产复合损失降至最低，也就是减少材料缺

陷从而消除载流子复合通道.

3.电极设计

电极就是与P—N结两端形成紧密欧姆接触的导电材料。这

样的材料应该满足：与硅可形成牢固的接触而且接触电阻小、

导电性优良、遮挡面积小、收集效率高等要求.所示设计原则:

让电池的输出最大，即电池的串联电阻尽可能小且电池的光照

作用面积尽可能大.商品化电池生产中大量被采用的工艺是铝

浆印刷。

4。减小串联电阻，增大并联电阻

串联电阻主要是由硅片基体电阻、扩散方块电阻、栅线

电阻、烧结后的接触电阻等组成。因此提高硅片的质量,可以

减小它决定的基体电阻;另外金属栅线要窄和厚，即能减少对

光的遮挡，又能保持低的电阻形成良好的p—n结，结深0。5

微米左右；电极形成好的欧姆接触等也可以减小串联电阻,从

而增大负载上的功率。

•